频谱分析系列:如何准确测试相位噪声

2020-04-29 来源:微波射频网作者:海川 我要评论(0) 字号:

相位噪声是表征CW信号频谱纯度的非常重要的参数,衡量了信号频率的短期稳定度。通常所说的相噪为单边带(SSB) 相位噪声,相噪的好坏对于系统的性能至关重要!

· 对于终端通信而言,如果接收机LO的相噪较差,且在信道附近存在较强的单音干扰时,在下变频过程中因交叉调制将导致信道内的噪声增加,从而恶化信噪比,严重时将无法进行正常通话!

· 对于卫星通信而言,如果发射机LO的相噪较差,将直接恶化数字调制信号的质量,星座图模糊,EVM变差,从而影响有效的数据传输!

· 对于雷达而言,如果整机的LO相噪较差,将导致部分目标的微弱回波信号淹没在强回波信号的边带中,从而无法正常检测!

由此可见,相噪性能是保证系统性能的重要前提!

因此,在设备研制阶段,通过合适的测量手段检验相噪性能是非常重要的一个工作环节。如何检验信号的相噪性能呢?

对于相位噪声的测试,目前业界常用的方法包括:基于频谱仪的测试方法和基于鉴相器的测试方法。使用频谱仪测试相噪又可分为,直接标定法和使用专门的相噪选件进行自动化测试。直接标定法即手动测试,经济实惠,但是操作相对繁琐;使用相噪选件自动化测试操作方便,可以直接给出相噪曲线,但是需要购买!至于基于鉴相器方法的设备,属于更加专业的相噪测试设备,测试能力更强,当然也是价格不菲的。

如果在研发阶段,只是要检验某些频偏处的相噪,而不要求直接得到相噪曲线,可以考虑使用频谱仪直接标定信号相噪,直接标定法也是下面要重点介绍的内容。

本文将首先介绍相噪的定义,然后介绍影响频谱仪相噪测试能力的因素,最后将给出手动测试相噪的关键步骤及注意事项。

相位噪声是如何定义的?

相噪的定义是大家所熟知的,如图1所示,在距离载波fc 一定频偏处的噪声功率谱密度与载波功率的比值即为相位噪声,通常是指单边带相位噪声(SSB PN),单位为dBc/Hz。“c”可以理解为载波carrier,意思是相对载波的电平。类似地,在描述谐波失真度时通常也采用单位dBc。

对于理想的CW信号,其频谱为单根谱线,而实际上由于相位噪声的存在,使得其频谱具有图1所示的边带,距离载波越远,边带幅度越小,意味着相位噪声也越好。

相位噪声的存在,使得信号的相位是随机波动的。之所以信号具有图1所示的边带,是因为相位噪声相当于宽带噪声对信号进行了相位调制!当然,信号的幅度也是存在波动的,相当于宽带噪声对信号进行了幅度调制,这部分噪声称为调幅噪声。相位噪声和调幅噪声并存,使得信号具有一定的边带。

实际上,按照上述定义得到的相噪测试结果既包含了相位噪声,也包含了调幅噪声,通常调幅噪声相对于相位噪声要小得多,可以忽略,因此也就将测试结果当作相位噪声了。基于频谱仪的相噪测试,无论是直接标定还是自动化测试,都是这种情形。如果要分离出相位噪声和调幅噪声,只能采用鉴相测试方法了。

值得一提的是,能够分离相位噪声和调幅噪声只是鉴相器测试法的特性之一,鉴相器法的最主要目的是为了改善相噪测试灵敏度,提高相噪测试能力!

频谱分析系列:如何准确测试相位噪声

图1. 单边带相位噪声的定义

决定频谱仪相噪测试能力的因素有哪些?

曾经有过这样的困惑,频谱仪怎么会有相噪的指标,相噪不是信号源的指标吗?后来才明白,频谱仪的相噪其实是内部LO信号的相噪,而且它决定了频谱仪近端相噪的测试能力。频谱仪自身的相噪越低,则相噪测试能力越强!

频谱仪自身的相噪是如何影响其相噪测试能力的呢?

以图2为例,假设RF信号是理想的,LO信号具有一定的边带,在下变频过程中,除了将RF信号变频至IF外,LO信号的边带也会一起搬移至IF。混频器实际上起到乘法器的作用,RF信号与LO信号相乘实现下变频的同时,也会与LO信号边带包含的频率成分相乘,从而使得边带也变频至IF附近。有的文献将此称为互易混频,互易混频使得LO信号的边带搬移至IF。

近端相噪测试通常只关注1MHz频偏范围内的相噪,考虑双边带时,对应的是fc± 1MHz范围内的边带。对于混频器而言,可以认为在2MHz这么窄带宽内的变频损耗是恒定的,这意味着对于图2所示的例子,IF信号的相噪与LO信号的相噪是相同的!这个相噪就是频谱仪自身的相噪“底噪声”,一般称为相噪测试灵敏度,决定了频谱仪的相噪测试能力。

如果待测信号的相噪低于频谱仪自身的相噪,当然是测不出信号真实的相噪水平。检定频谱仪相噪指标时,一般会选择一台相噪更好的信号源,相噪测试结果能够反映出频谱仪自身的水平。

如果要准确测试信号的相噪,则要求频谱仪自身相噪比待测信号好很多,按照经验,至少优异10dB以上,才能保证测试精度!

频谱分析系列:如何准确测试相位噪声

图2. LO的相噪因互易混频搬移至IF输出信号

以上介绍了影响近端相噪测试能力的因素,随着频偏的不断增大,LO信号的相噪也是逐渐降低的,此时决定仪表相噪测试能力的因素可能不再是LO的相噪,而是仪表的底噪声。

如何判断频谱仪底噪声是否影响远端相噪测试呢?

有两种方法可以尝试:

(1) 降低信号功率,观测远端边带是否也跟随降低,如果没有变化,说明底噪声确实影响远端相噪测试;如果远端边带也随之降低,则说明底噪声带来的影响很小。

(2) 直接关闭信号,保证频谱仪其它设置不变,对比此时的底噪声与关闭信号之前的远端边带功率的大小。如果底噪声低于远端边带功率(建议10dB以上),则对测试影响较小;如果底噪声与远端边带持平,则必然会影响测试结果!

如果底噪声影响了远端相噪测试,如何解决呢?

可以在一定程度上增大信号功率,因为信号功率越高,边带功率也随之提高,使其高出底噪一定水平,从而保证测试精度。但不能导致频谱仪过载,否则将扰乱测试结果,必要时,可以使用陷波器抑制载波信号。

或者选择底噪声更低的频谱仪进行测试!

如何使用直接标定法准确测试相噪?

了解影响频谱仪相噪测试能力的因素之后,下面介绍一下如何使用直接标定法测试信号的相噪。

这里不涉及频谱仪具体的操作,只给出关键的测试步骤及注意事项。

为了提高相噪测试精度,建议适当提高信号功率,以得到更高的边带功率,推荐信号功率在±5dBm范围之内,太强可能导致频谱仪过载。

直接标定法操作步骤(推荐) :

Step 1设置合适的中心频率和Span,使得能够显示信号频谱并覆盖需要测试的频偏范围。

Step 2将频谱仪射频前端衰减度设置为0dB,以降低底噪,提高相噪测试精度,这一点对于远端相噪测试尤为重要。

Step 3将频谱仪的显示检波器类型选择为RMS检波器,这个在之前的文章“如何选择显示检波器”中已有说明,为了得到更加稳定的测试结果,可以考虑增大扫描时间。

Step 4设置合适的RBW,RBW并不是越小对测试越有利,降低RBW并不会改善远端相噪测试能力,因为底噪降低的同时,边带功率也会降低,而且RBW太小,速度太慢。但是当测试近端相噪时,比如频偏100kHz以内,RBW需要设置小一点,以对载波信号充分抑制,否则会严重影响相噪测试能力!

近端相噪测试过程中,可以通过逐步降低RBW来选择合适的值,降低RBW的过程中,当相噪测试结果不再降低时,选取此时的RBW即可。

Step 5确定载波信号功率及待测频偏处的噪声功率谱密度,以计算相位噪声。

通过Marker功能很容易确定载波信号功率PC,当然也很容易确定待测频偏处的功率PSSB,则噪声功率谱密度可通过下式计算:

PSD=PSSB - 10lg(RBW ) (dBm/Hz )

则相噪测试结果为

PN=PSD - PC (dBc/Hz )

目前业界大部分频谱仪都支持使用Marker直接测试功率谱密度,再通过显示Marker的delta mode便可以直接显示相噪结果,这样就省去了上述计算步骤,使用非常方便!

以上便是要给大家分享的内容,希望对大家有所帮助~~

小文虽短但不乏精华,希望大家持续关注“微波射频网”,后续精彩不断~

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